1905년, 스위스 특허청에 근무하던 26살 청년이 발표한 논문은 현대물리학의 판도를 바꿔 놨다. 빛과 중력, 그리고 시공간에 대해 설명한 상대성이론은 당시 전 세계에서 이해하고 있는 사람이 십 수 명에 불과하다는 얘기가 나올 정도로 난해했다.

이에 많은 반박과 공격도 받았지만 아인슈타인의 이론을 증명해 줄 수 있는 근거들은 잇따라 발견됐고, 결국 상대성이론의 출현은 고전물리학과 현대 물리학을 구분 짓는 지표가 됐다. ‘인류 역사에 다시없을 천재’라는 표현이 아깝지 않을 정도로 그의 이론은 완벽하다는 평가를 받고 있다.

그의 이론은 발표 당시로부터 시간이 흐를수록 실험․관측적 근거들의 뒷받침을 통해 점점 더 견고해지고 있다. 한 예로 2011년 10월엔 코펜하겐 대학의 닐스 보어 연구소 암흑 우주 센터 천문학자들에 의해 진행된 ‘중력 적색편이’현상 관측으로 일반 상대성이론이 다시 한 번 증명된 바 있다. 먼 우주의 은하단으로부터 오는 빛을 분석해 중력에 의한 공간의 휘어짐을 확인한 것이다.

그런가 하면 아인슈타인 자신조차 ‘일생 최대의 실수’라 말하며 철회한 개념인 ‘우주 상수’마저 암흑 에너지의 개념을 통해 실수가 아니었음이 밝혀지고 있기도 하다. 2011년 5월, 호주 스윈번대 크리스 블레이크 교수가 이끄는 국제 연구진은 암흑 에너지의 존재를 입증했다고 발표하면서 자신들의 연구가 ‘아인슈타인의 우주상수 가설이 옳았다는 것을 100여 년 만에 밝혀낸 것’이라 설명하기도 했다.

아인슈타인을 위협하는 초광속 중성미자

그런데 지난 2011년 9월, 아인슈타인의 이론은 그동안의 확고함을 뒤흔들만한 큰 위기를 맞았다. ‘빛보다 빠른 물질은 없다’는 특수상대성이론의 기본 가정을 깨뜨릴지도 모를 실험적 근거가 발견됐기 때문이다.

그 정체는 바로 중성미자. 중성미자는 기본 입자의 일종으로 한 때 질량이 없다고 생각될 정도로 가볍고 전기적으로는 중성이며 일반 물질들과 거의 반응하지 않는다. 지금도 초당 수 조 개의 중성미자가 우리 몸을 투과하고 있다. 그리고 이들은 지구조차 통과한다. 이런 성질 때문에 중성미자는 먼 미래에 전자기파를 대체할 궁극의 통신 수단으로 지목되기도 한다. 게다가 우주의 주요 천체들이 엄청난 양의 중성미자를 방출하기 때문에 중성미자 연구는 우주의 베일을 벗겨내는 데도 중요한 역할을 한다.

이런 중성미자는 오랫동안 물리학자들의 연구대상이 돼 왔다. 그 중에서도 가장 저명한 실험으로 손꼽히는 것은 스위스 유럽입자물리연구소(CERN)와 이탈리아 그란 사소 연구소의 공동연구로 진행되고 있는 중성미자 연구 프로젝트인 ‘OPERA’ 실험이다. 그리고 이 실험에서 앞서 언급한 충격적인 실험 결과를 도출해냈다. OPERA 실험을 통해 CERN에서 출발한 중성미자가 그로부터 약 730km 떨어져 있는 이탈리아 그란 사소 지하 실험실에 도착하는 데 걸린 시간이 동일한 거리를 빛이 진행하는 시간보다 60나노 초(1억분의 6초)정도 빠르게 측정된 것이다.

인간의 감각으론 도저히 분간해 낼 수 없는 시간임에 분명하지만 이는 물리학자들에게 있어선 청천벽력과도 같은 결과다. 아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면 질량을 가진 모든 물질은 속도가 증가할수록 질량 증가 현상이 나타나고, 빛의 속도에 가까워질수록 질량은 무한대에 가깝게 증가하기 때문에 결국엔 빛의 속도를 넘을 수도, 도달할 수도 없다. 이에 적지만 질량을 가지고 있는 중성미자가 빛의 속도에 도달했다고만 해도 놀라울 마당에, 오히려 빛보다 빠르다는 결과가 나온 것이다.

물론 그것이 사실이라도 우리 일상 생활에 큰 변화가 오는 것은 아니다. 하지만 입자물리학이나 천체물리학 등을 연구하는 과학자들에게 있어 이는 자신들의 세상의 종말을 고하는 소식임일 수 있다. 또한 동시에 새로운 세상에 대한 기대와 설렘을 안겨주는 소식이 될 수도 있다. 그만큼 아인슈타인의 이론과 그 기본 가정은 절대적인 것이었다.

하지만 대부분의 과학자들은 이 실험에 대해 회의적이다. 측정의 오류나 실수 때문이라는 반박이 적지 않다. 헌데 OPERA 연구팀의 후속 연구는 또다시 동일한 실험 결과를 내놓은 바 있다. 2011년 11월, 측정에 오류를 줄만한 요소들을 보완한 실험이 다시 실시됐고, 마찬가지로 빛보다 약 60나노 초 빠른 중성미자들이 검출됐다.

이것이 의미하는 바는 무엇일까? 아인슈타인의 무(無)오류 신화가 깨지고 과학의 새로운 장이 열리는 것일까. 아니면 아직 찾아내지 못한 중복된 실험 오류일 뿐일까. 많은 과학자들이 이에 대한 답을 제시하기 위해 실험과 연구를 멈추지 않고 있다. (계속)